化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對井岡蜜柚產量及土壤固碳效果的影響

范美莉, 朱國兵, 汪文俊, 劉軍根

(1.吉安職業技術學院現代農林工程學院,江西吉安 343000; 2.吉安職業技術學院公共基礎課教育部,江西吉安 343000)

施用化學肥料是現今農林業生產環節中補充土壤養分的必要措施,化肥在促進植物早期生長發育及后期產量、質量形成過程中起著至關重要的作用[1]。為保證產量收獲,農民對化肥的施用量往往高于推薦量[2]。然而化肥施用量與產量、肥料利用率之間存在閾值,目前肥料施用量過高,肥料利用率低,造成土壤質量退化、微生物多樣性銳減、水體富營養化等一系列負面影響,已成為制約農林業發展的重要瓶頸[3]。從源頭上減少大量元素(N、P、K)的投入量,是減少土壤生態環境污染的重要策略。研究表明,長期減量施肥可能會擾亂土壤有機碳儲量和碳礦化的動態平衡,進而影響土壤肥力及相關微生物組成變化[4]。因此,適量減施化肥并尋求適宜的化肥替代物,是保持農業可持續發展和推進農田生態環境建設的重要研究方向。

生物炭(BC)是農林植物殘體、工業廢棄物、城市垃圾及畜禽糞便等材料在400～700 ℃高溫條件下炭化形成的高度芳香化多孔富碳產物[5]。大量研究表明,生物質原材料炭化后具有致密的微孔結構、較高的pH值、大量的碳物質,施入土壤后可有效降低土壤容重,提高土壤保墑性能及肥力[6],且可為土壤生物提供棲息地從而有利于微生物繁殖,進一步提高土壤固碳效果。綠肥是綠色植物體制成的養分全面的有機肥源,在提升耕地質量、降低水土流失、提高土壤肥力及改善作物品質中作用巨大[7]。牛雅瓊等研究表明,獼猴桃園翻壓豆科綠肥能夠改善土壤質地、提升土壤肥力、促進獼猴桃植株養分累積及提高產量[8]。王春麗等研究顯示,越冬型肥用油菜翻壓可顯著提高黃土高原溝壑區蘋果園土壤速效養分含量、降低土壤耗水及改善蘋果根系結構[9]。

井岡蜜柚作為江西省的龍頭果業名牌之一,是吉安市“促民生、保發展”的富民支柱產業,在江西省水果產業具有舉足輕重的地位,其商業化種植主導品種有金蘭柚和金沙柚[10]。目前,井岡蜜柚園區存在管理粗放、施肥量較高及土壤質量逐年下降等問題[11]。吉安市具備三面環山的山地丘陵盆地地貌,屬亞熱帶季風濕潤性氣候,初夏雨量充沛;蜜柚園區由于常年施肥措施欠佳,土壤酸化日趨嚴重,導致土壤肥力低、土壤板結[12],最終影響井岡蜜柚產業的高質量發展。本研究基于生物炭結合綠肥翻壓的改土培肥優勢,探索了常規施肥減量施用下,生物炭配施不同綠肥品種對井岡蜜柚果園土壤固碳效果、碳庫管理指數及產量的影響,旨在為改良土壤固碳效果、促進蜜柚產業高質量可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年12月至2022年10月在江西省吉安市井岡蜜柚科技小院試驗站內進行,供試蜜柚品種為5年生金沙柚,種植株行距為3 m×4 m,種植密度750株/hm2。供試生物炭主要原材料為稻殼和稻草,購自江西晟鑫生物炭業有限公司,其基本性質為全碳含量67.5%,總氮含量5.6%,比表面積23.9 m2/g,pH值 8.43。供試綠肥分別為毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、二月蘭(Orychophragmusviolaceus)、黑麥草(LoliumperenneL.),來自四川南充綠肥產業技術綜合試驗站。供試化肥包括尿素(含N 46%)、果樹專用鈣鎂磷肥(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 52%),均購自吉安市天禾農資有限公司。

試驗區土壤為紅壤,0～30 cm表層土壤理化性質:pH值 4.98,有機質含量14.04 g/kg,全氮含量0.73 g/kg,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為103.56、30.25、106.28 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設置6個處理:常規施肥(CK1);常規施肥減量25%(CK2);常規施肥減量25%+生物炭(BC);BC處理分別組合毛葉苕子(BVV)、二月蘭(BOH)、黑麥草(BLP)的綠肥翻壓處理。其中常規施肥處理為當地常規施用量的近4年平均值,即純氮施用量為675 kg/hm2(N ∶ P2O5∶ K2O=9 ∶ 5 ∶ 8)[10],生物炭處理施用量為3 000 kg/hm2,綠肥處理約120萬株/hm2。試驗區采用隨機區組設計,各處理重復3次,共18個規劃區,小區面積300 m2(15 m×20 m,5株果樹),小區之間設置3 m保護帶。試驗于2019年12月開始,化肥按基肥30%、促花肥15%、壯果肥40%、采果肥15%施用,于2019年12月15日,2020年2月15日、6月15日、9月15日分4次施入,分別在柚樹兩側進行 10 cm 穴施。綠肥則于每年10月進行土表撒播,翌年4月末生物炭隨綠肥一同翻壓入土。無綠肥處理則為土表清耕處理,2020—2022年每年對試驗區進行產量統計。

1.3 樣品采集及測定分析

1.3.1 蜜柚產量、土壤容重及土壤總有機碳含量測定 2022年10月蜜柚收獲后對蜜柚園土壤進行取樣:按照“S”形多點分層取樣法,取樣前去除表層(0.1 cm)雜物,在每個小區隨機選取5個取樣點的土壤匯集成1個樣本,分別使用環刀、不銹鋼半自動螺旋土鉆采取6個土層(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm)的土壤樣品。其中環刀中的土壤直接進行土壤容重(BD)測定,螺旋土鉆所取土壤樣品一部分保存于-80 ℃環境中,其余部分經自然風干后采用人工研磨并過0.25 mm不銹鋼網篩,土壤總有機碳(TOC)含量采用K2Cr2O7外加熱容量法[13]測定。

1.3.2 土壤有機碳組分含量及測定 有機碳組分包括輕質有機碳(LOC)、顆粒有機碳(POC)、微生物有機碳(MBC)、易氧化有機碳(EOC)、可溶性有機碳(DOC)。將過0.25 mm不銹鋼網篩的表層(0～30 cm)土壤進行30 ℃環境暖溫8 h。采用碘化鈉(NaI)提取LOC,采用六聚偏磷酸鈉[(NaPO3)6]提取POC,采用三氯甲烷(CHCl3)熏蒸硫酸鉀(K2SO4)提取法MBC,采用KMnO4浸提提取EOC,采用水 ∶ 土混合液(質量比4 ∶ 1)提取可溶性有機碳(DOC)。上述有機碳組分含量采用TOC自動分析儀(TOC-SSM-5000A,Shimadzu,日本)測定。穩態有機碳(NOC)含量為土壤總有機碳(TOC)與EOC含量的差值。土壤有機碳儲量采取表層等質量方法計算。

1.3.3 土壤固碳基因拷貝數的定量測定 稱取250 mg保存于-80 ℃的土壤,采用FAST? Spin of Kit DNA試劑盒(116560-200,MPBiomedicals)提取土壤總DNA,采用1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測所提取DNA的純度,再用一體式凝膠成像儀(SmartGelTM5000,北京森西賽智科技有限公司)測定。cbbL所用引物為K2F(ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG)、V2R(GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC),cbbM所用引物為490F(GGCACCATCATCAAGCCCAAG)、974R(TCTTGCCGTAGCCCATGGTGC)。通過實時熒光定量PCR儀(CFX96Touch BIO-RAD1,ABI,美國)對cbbL、cbbM基因拷貝數進行定量分析。反應條件:95 ℃預變性5 min;95 ℃變性30 s、62 ℃退火30 s、57 ℃延伸20 s,循環40次[14]。反應體系總體積為 20 μL:1×SYBR Premix ExTaq(TaKaRa)5 μL,上游和下游引物(5 μmol/L)各0.4 μL,DNA模板2 μL,采用無菌水補充至20 μL。

1.4 數據處理與統計分析

碳庫管理指數計算按照以下公式進行[15]:

有機碳儲量(×103kg/hm2)=(TOCλ×BDλ×λ)×0.1;

碳庫活度(CA)=土壤EOC含量/(土壤NOC含量×2);

碳庫活度指數(AI)=樣品土壤CA/參考土壤CA;

碳庫指數(CPI)=樣品土壤TOC含量/參考土壤TOC含量;

土壤碳庫管理指數(CPMI)=CPI×AI×100%。

上述EOC、NOC、TOCλ、BDλ分別表示易氧化有機碳含量、穩態有機碳含量、0～30 cm總有機碳含量、0～30 cm土壤容重;λ為土壤深度,該處采用深度為30 cm;以常規施肥處理土壤樣品為參照土壤。

采用Excel 2007對試驗數據進行錄入與初步整理,DPS 7.05軟件進行方差分析與顯著性檢驗,采用Origin 9.2軟件完成繪圖。

2 結果與分析

2.1 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對不同土層容重、總有機碳含量的影響

由圖1可知,化肥減施3年后,在60 cm的土壤深度中,化肥減施、化肥減施下生物炭與綠肥翻壓,對柚園土壤容重(BD)及土壤總有機碳含量(TOC)的剖面分布均具有顯著影響。就土壤容重而言,隨著土壤深度加深,土壤容重隨之增加;其中在0～30 cm 土層中,各處理差距較大,整體以化肥減施下施用生物炭相關處理(BC、BVV、BOH、BLP)數值較低,而在較深土層(40～60 cm)中,各處理差距相對較小(圖1-A)。與土壤容重趨勢相反,隨著土壤深度加深,土壤總有機碳含量隨之迅速降低。在表層土壤(0～30 cm)中,均以BOH處理的TOC含量最高,CK2處理最低,尤其在10、20 cm土層中;在較深土層(40～60 cm)中,仍以CK2處理最低,但各處理間差距較小(圖1-B)。上述研究表明,化肥減施3年后,土壤容重隨之增加而總有機碳含量降低,且主要作用于表層土壤;化肥減施下生物炭配施綠肥翻壓有利于降低0～30 cm土壤容重及提高總有機碳含量。

2.2 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對表層土壤有機碳組分含量的影響

由圖2可知,0～30 cm表層土壤有機碳組分含量中,各組分含量高低順序表現為可溶性有機碳(DOC)含量<顆粒有機碳(POC)含量<微生物有機碳(MBC)含量<輕質有機碳(LOC)含量<易氧化有機碳(EOC)含量,其中EOC、MBC、POC、LOC、DOC含量分別占有機碳含量的49.64%～60.90%、10.13%～15.22%、9.11%～11.56%、12.80%～18.41%、6.37%～7.48%。在EOC、LOC、DOC組分含量中,以BOH處理較高,各處理整體呈CK2

2.3 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對碳儲量及碳庫管理指數的影響

由表1可知,0～30 cm表層土壤有機碳儲量中,各處理表現為CK2

表1 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對碳儲量及碳庫管理指數的影響

2.4 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對固氮基因絕對豐度的影響

由圖3-A可看出,各處理cbbL基因豐度表現為CK2

2.5 化肥減施下生物炭與綠肥翻壓對蜜柚產量的影響

由圖4可知,2020年以CK1處理產量最高,其他處理較CK1降低1.73%～10.69%; 但各處理間產量差距較小,僅BLP顯著低于CK1、BC處理。2021年以BVV處理產量最高,CK1、CK2、BC、BOH、BLP較其分別降低4.12%、12.17%、10.12%、3.73%、9.83%;其中CK1與BVV、BLP處理間無顯著差異。2022年各處理產量高低順序表現為 CK2

3 討論

土壤是全球陸地生態系統中最大的有機碳庫,僅表層土壤中的有機碳含量就遠超陸地植物體的所有碳總和[16]。一般而言,土壤中的有機碳需經微生物作用礦化后方可被植物有效吸收利用,因此土壤有機碳豐度與農林業生產、土壤生物多樣性及全球氣候變化等生態系統功能密切相關[17]。本研究結果表明,各處理的土壤總有機碳含量、土壤容重(BD)在表層土壤(0～30 cm)差距較大,在較深土層(40～60 cm)中差異較小。此外,隨著土層深度增加,TOC含量隨之降低,而BD則隨之增加,且各處理間的TOC含量在30 cm土深后急劇下降。因此本研究后續主要分析0～30 cm表層土壤的有機碳組分、碳庫管理指數和相關固碳細菌編碼基因的豐度情況。

可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物有機碳、輕質有機碳、顆粒有機碳是評價土壤質量及碳庫平衡的重要指標,其組成與變化代表了土壤有機碳分解和養分釋放的潛力[18]。本研究結果表明,25%化肥減施3年后,其有機碳組分含量整體呈降低趨勢,在此基礎上配施生物炭其組分含量仍整體低于常規施肥處理,這表明化肥減施下,生物炭對土壤有機碳組分含量的影響效果有限,這與前人的研究結果存在差異。李喜鳳等研究表明,果園土壤中適量添加生物炭可顯著提高黃土高原區0～20 cm土壤有機碳質量分數及MBC、DOC、POC等有機碳組分含量[19]。楊世偉等研究顯示,生物炭可顯著影響土壤pH值、BD及土壤團聚體結構,從而影響高原蘋果園土壤有機碳組分及碳儲量[20]。本研究結果與前人不同的原因可能是由氣候差異所致,本研究試驗區域氣候常年溫熱、雨水充沛,且活性有機碳組分易受土壤濕度影響,因此生物炭的功能作用可能因此降低。

LOC、DOC、EOC均是重要的活性有機碳組分,三者性質均不穩定且易快速礦化,因此流動性強、分解度高、周轉速率快,是土壤養分的短期碳儲存庫[21-22];其中EOC是易被氧化的活性有機碳組分,主要由易分解的腐殖質和多糖構成[23]。POC可吸附于土壤團聚體表面從而避免快速分解,是較為穩定的碳組分,由植物殘體和微生物、微型動物殘骸組成[24]。本研究中,各處理在相關有機碳組分含量上整體表現為CK2

土壤碳庫管理指數是表征土壤有機碳變化的重要指標,可有效反映外部條件對土壤碳庫和碳庫活度的影響,能系統、全面地評價外部因素對土壤有機碳含量及質量的影響[25]。魏夏新等研究表明,紫云英、水稻秸稈生物炭還田可有效提高雙季稻土壤活性有機碳含量,二者可顯著提高碳庫穩定性,且使土壤碳庫管理指數分別提高31.8%、62.2%[26]。本研究結果表明,在碳庫活度、碳庫活度指數中,以生物炭配施綠肥處理(BVV、BOH、BLP)整體較低,其中BOH處理最低;而在碳庫指數與CPMI指數中,以BOH處理存在峰值,其CPMI可達104.79%,即二月蘭翻壓處理最有利于土壤碳庫的穩定;這與相關結果基本趨于一致:與禾本科綠肥相比,十字花科綠肥二月蘭具有較低的初始 C/N,易于腐解,有利于土壤碳庫的補充,更適宜應用于果園種植[27]。

自養型微生物廣泛分布于土壤生態系統中,具有同化空氣中CO2并將其轉化為土壤有機碳的功能。卡爾文循環(還原性戊糖磷酸循環)是耕作土壤中微生物固定大氣CO2的主要途徑[28],cbbL、cbbM基因是介導卡爾文循環的編碼基因[19],二者基因的豐度高低可在一定程度上反映微生物的固碳潛力。本研究中,各處理cbbL、cbbM基因整體呈CK1、CK2、BC

4 結論

本研究結果表明,與常規施肥處理(CK1)相比,25%化肥減施3年后,其土壤有機碳含量、碳管理指數、固碳基因豐度及產量均受到不利影響;在此基礎上單施3 000 kg/hm2生物炭具有一定的促進作用,但整體仍低于CK1處理。而化肥減施下生物炭配施綠肥翻壓處理效果較佳,其中整體以生物炭配施二月蘭翻壓處理(BOH)最優,顯著降低了表層土(0～30 cm)的土壤容重及碳庫活性指數,提高了土壤總有機碳、易氧化有機碳、輕質有機碳及可溶性有機碳含量,增加了0～30 cm土層的有機碳儲量及碳庫管理指數。此外生物炭配施二月蘭翻壓3年后,與常規施肥處理相比,井岡蜜柚有機碳儲量、蜜柚產量分別顯著提高4.59%、10.49%,具有明顯的固碳及增產效應,有望應用于井岡蜜柚的減肥生產實踐。